图1：不同极性体系的LO声子在布里渊区中央附近行为示意图。
更故意思的是，极性材料中的LO声子与其声子极化激元（Phonon polariton, PhP）密切干系。之前有理论表明，二维极性单层中LO声子的非解析行为使得LO声子等价于二维PhP。二维PhP被预测具有精良的光学特性，如超慢的群速率和超高的光限域。然而，现有对二维极性单层中LO声子或PhP的丈量无法得到从布里渊区中央到大动量范围的完全色散行为，因此难以全面理解PhP的物理性子。当前，急迫须要对严格二维极性单层中LO声子的非解析行为进行全面的实验研究，这对付根本研究和未来运用都非常主要。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中央表面物理国家重点实验室SF06课题组的朱学涛研究员和郭建东研究员辅导博士生李佳德等，利用自主研发的具有能量-动量二维成像解析能力的高分辨率电子能量丢失谱仪（2D-HREELS），全面研究了范例二维极性材料单层六方氮化硼（h-BN）中LO声子的非解析行为，并研究了其二维PhP的性子。通过2D-HREELS的高精度丈量，他们成功不雅观测到了单层h-BN的所有声子模式从布里渊区中央到边界的色散（图2c、d）。基于此，他们证明了LO声子色散确实具有“V”形的非解析行为（图3a、b）：首先，LO和TO声子在布里渊区中央简并；其次，LO声子的色散在布里渊区中央附近呈现有限的正斜率。
图2：单层h-BN/Cu箔的表面表征和HREELS声子谱。
图3：铜箔和铜单晶衬底上单层h-BN中LO声子色散的比较。
此外，他们还研究了衬底电子的屏蔽效应对LO声子行为的影响。通过比拟Cu箔和Cu单晶衬底上成长的单层h-BN的不同LO声子行为，表明衬底与h-BN的间隔是影响屏蔽强度的一个关键成分。对Cu单晶上单层h-BN的丈量创造，其LO声子的线性色散行为被完备抑制，在布里渊区中央表现为“U”形的色散（图3d、e）。比较于表面原子级平整的Cu单晶，Cu箔的粗糙表面增加了其与h-BN的均匀间隔，导致Cu箔衬底的电子对h-BN屏蔽不完备，从而保留了“V”形的非解析色散行为。
该研究还创造，Cu箔的分外屏蔽浸染显著降落了单层h-BN中LO声子色散的斜率。这使得单层h-BN/Cu箔体系中的PhP表现出超越了独立二维单层h-BN的超慢群速率（~ 5 × 10 c, c为光速）和超高光限域（~ 4000倍于自由空间光的波长）（图4a、b）。末了，他们还将2D-HREELS与当前丈量PhP的主流手段（Raman、s-SNOM和STEM-EELS）进行了比拟。创造当前主流的探测手段虽然很适宜丈量厚层样品的PhP，但是对丈量单层材料的PhP却极具寻衅性。基于此，他们引入2D-HREELS作为丈量二维PhP的新方法，与当前主流的探测手段形成了很好的互补。该事情揭示了二维极性材料中LO声子行为的基本规律，为将来二维PhP的研究和运用奠定了物理根本。
图4：单层h-BN的二维声子极化激元特性。
本研究中，中国科学院物理研究所王理副研究员供应了Cu箔衬底上单层h-BN样品的支持，北京大学彭海琳教授和博士生王雅妮供应了Cu单晶衬底上单层h-BN样品的支持。干系成果以“Observation of the nonanalytic behavior of optical phonons in monolayer hexagonal boron nitride”为题揭橥于Nature Communications上[Nat Commun 15, 1938 (2024)]，博士生李佳德为第一作者，朱学涛研究员和郭建东研究员为共同通讯作者。
该事情得到了国家重点研发操持，国家自然科学基金，中国科学院计策先导（B）操持和中国科学院青年创新促进会的帮助。
编辑：尼洛
